结构的参数化设计，参数化主义风格的由来

在理念层面， 传统建筑设计中建筑形体通常是通过对“规则几何体”如圆柱，方块，球形等等，进行切割、融合、扭曲等操作而得到的 。这并非因为它们具有强大的优越性，而究其根源是受制于客观技术条件一种退而求其次的选择。那些规则的几何形体是手绘最能实现的形体，是设计师最容易掌控表达的形体。因而以传统形体为设计基础而形成的“合理性”，正是对那种受制客观条件的适应。

而在参数化主义的设计中，对于基本设计元素的形体认识， 转移到了通过“电脑脚本语言”来表现生成，形态出现了难以具体描述的不规则Nurbs曲面，Nurbs曲线，团点，颗粒等等 。通俗地讲，就是我们能够看得见的“奇形怪状”。这种表象背后，是建筑设计观的突破和对功能更新层次的理解和追求。参数化主义风格，是基于我们观察和认识世界的一个全新角度。

随着建造技术的发展，很多建筑师不满足于传统的建筑造型，越来越多的非线性作品应运而生，并且建筑师开始使用诸如Grasshopper或Dynamo等工具，直接在设计和建模阶段创建参数化模型，这就使得越来越多的结构工程师也开始使用参数化设计工具。

参数化设计可以改善以往的结构设计方法，使设计师更容易探索设计空间。参数化设计可以在很短的时间进行精确的计算，根据设置的约束参数或算法，通过计算可以给出最好的结构形式，并提出更优化的设计解决方案。

参数化设计甚至可以追溯到19世纪80年代，圣家大教堂的建筑师高迪就采用了参数化的设计思维。 在那个非数字化的年代，高迪通过可变模型来推敲设计，将转动的框架和弹性的绳索作为变量，在没有精确数据的条件下，通过在石膏模型上试验得出。这种设计手法与形体的创新，开创了参数化设计的先河。

与高迪同时期的詹姆斯·戴纳是最早提出用参数来定义空间几何体。将时间追溯到20世纪60年代，路易吉·莫雷蒂开发了一套数学方程，其中的参数用于分析空间关系。他用这些公式在1962年制定了罗马的城市规划，并且创造了参数化建筑这个术语。

第一个使用数学和参数方程的计算机程序，是由著名的Ivan Sutherland在1963年开发的Sketchpad程序。这个程序可以说是CAD(计算机辅助设计)程序的先驱，像我们熟知的Autodesk(1982)。尽管CAD目前是被广泛使用的主流程序，但其仍然存在一些相当严格的约束，使得许多复杂的三维几何图形无法被创建和理解。

直到1989年，NURBS(非均匀有理b样条)被开发出来，其突出优点是可以精确的表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面。随着像Rhino这类技术软件的出现，NURBS逐渐成为现代曲面造型中最为广泛流行的技术，同时也带动了参数化设计的流行。

弗兰克·盖里的作品标志着参数化设计时代的到来，盖里科技在Catia平台上研发了Digital Project，将传统的工业曲面造型设计方法引入到建筑领域，率先在模型的信息管理与分析上进行了大胆的尝试。

让这些雕塑感强烈的非线性作品不仅仅是流于表面的美感，而是追求高效率的功能性，这才是参数化设计真正发挥作用的地方，允许设计沿着不同的定量参数变化。

非线性的建筑外观流畅自然，对应的结构复杂度和设计难度往往呈几何倍数增长，传统的结构设计方法已经不能满足这种复杂的形式要求，这就要求结构工程师掌握更先进的设计手段与构造思维。参数化软件具有得天独厚的造型控制能力与数据信息处理能力，根据给定的数据或坐标信息，可以很方便的生成三维结构模型，并可直接对其做受力分析与合理性分析。

结构设计中的杆件结构分为平面结构和空间结构，在平面结构中，各杆的轴线和外力的作用线都在一个平面内， 但是目前很多非线性的设计中，杆件多为复杂的空间结构，各杆的轴线不在同一平面内，此时传统的二维设计思路就需要发生转变，借助参数化设计的方法，不但可以批量生成空间的结构杆件 ，还可以对杆件的长度模数以及荷载进行优化，同时能够提取全部的下料信息。

为了满足结构轻量化的设计要求，结构工程师可以采用数学的方法进行拓扑优化，即根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化。 拓扑优化相对于传统的尺寸优化和形状优化具有更多的设计自由度，是结构优化最具发展前景的一个方面，也是参数化设计在结构专业的重要应用。

空间结构体系中，网架结构就是典型的参数化设计。 以其整体性好、空间刚度大等诸多优点，在各类建筑中都得到了广泛的应用。随着计算方法的提高，网架结构体系得到了逐步的完善，其中有限元法成为了最主要的计算方法，并且其应用已由静力平衡问题扩展到稳定问题，由弹性平面问题扩展到空间问题。

通过数字来定义形式，可以创造出自由度很高的结构体系。借助3D打印技术，让复杂的结构形式在小尺寸和大尺寸上都取得了进步。机器人的现成3D打印带来了结构领域的新发展，设计师不需要再考虑如何简化几何形式以满足工艺要求，取而代之的是用更先进的技术将美学和力学融为一体。

随着人工智能(AI)的发展，计算机已经能够对输入的参数进行响应，并可计算出无数种不同的迭代结果，结构工程师可以进行多方案对比和不同模型的计算分析，找出结构的薄弱环节。特别像一些高层建筑中，计算中需要考虑地震和风荷载、以及偶然偏心和平扭耦联计算结构的扭转效应。

传统的二维图纸已经无法准确表达复杂的三维空间，特别是面对复杂形体的建筑，建筑师是无法凭借一般的工程经验来确定其合理性，这就需要结构工程师在设计初期就参与进来 ，在搭建结构体系时引入参数化设计，可以对每个节点的位置进行精确定位，并对施工进程进行监控。